模擬電子技術第九章

1、9.1 正弦波振蕩的振蕩條件正弦波振蕩的振蕩條件 9.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 9.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 9.4 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路 9.4.1 比較器比較器 9.4.2 方波發(fā)生器方波發(fā)生器 9.4.3 鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器 第九章第九章 信號處理與信號產(chǎn)生電路信號處理與信號產(chǎn)生電路 一一. 產(chǎn)生自激振蕩的條件產(chǎn)生自激振蕩的條件 fid XXX-= 改成正反饋改成正反饋 只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。 9.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件 + X i f 基本放大器基本放大器 A 反饋網(wǎng)絡

2、反饋網(wǎng)絡 F X + doX X 如果：如果： , if XX= 則去掉則去掉 , i X仍有信號輸出。仍有信號輸出。 反饋信號代替了放大反饋信號代替了放大 電路的輸入信號。電路的輸入信號。 X i + f 基本放大器基本放大器 A 反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 F X + doX X Xdo f 基本放大器基本放大器 A 反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 F X X FA=1Xd=Xf 所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成： 自激振蕩的條件：自激振蕩的條件： （1）振幅條件：）振幅條件：1|=AF （2）相位條件：）相位條件：pjjn FA 2=+ n是整數(shù)是整數(shù) 1 . =FA A AAj=|因

3、為：因為： F FFj=| . Xdo f 基本放大器基本放大器 A 反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 F X X 二二.起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件和穩(wěn)幅原理 起振條件：起振條件： 結果：產(chǎn)生增幅振蕩結果：產(chǎn)生增幅振蕩 1|FA （略大于）略大于） 1 1、被動：器件非線性、被動：器件非線性 2 2、主動：在反饋網(wǎng)絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以、主動：在反饋網(wǎng)絡中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 放大電路的放大電路的增益增益 穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅過程： 起振時，起振時，1|FA 穩(wěn)定振蕩時，穩(wěn)定振蕩時，1|=FA 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施： 起振過程起振過程 Xdo f 基本放大器基本放大器 A 反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 F X X

4、1.1.放大電路放大電路 2.2.正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡 3.3.選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡只對一個頻率滿足振蕩條件，從只對一個頻率滿足振蕩條件，從 而獲得單一頻率的正弦波輸出。而獲得單一頻率的正弦波輸出。 常用的選頻網(wǎng)絡有常用的選頻網(wǎng)絡有RC選頻選頻和和LC選頻選頻 4.4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩， 波形失真小。波形失真小。 三三. .正弦波振蕩器的一般組成正弦波振蕩器的一般組成 9.2 RC正弦波正弦波振蕩電路振蕩電路 一一. RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性 R1C1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗： 21 2 o f ZZ Z U U F + =

5、)j/1 ( 111 CRZ+= 22 2 222 j1 )j/1/( CR R CRZ + = = R2C2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗： 選頻特性：選頻特性： + + + R u + - o - f u + 1 2 R C1 2 C 1.定性分析：定性分析： （1）當信號的頻率很低時。）當信號的頻率很低時。 R1 1 1 C R2 2 1 C 其低頻等效電路為：其低頻等效電路為： 其頻率特性為：其頻率特性為： 當當=0時，時， uf=0，F(xiàn)=0 =+90F j 當當時，時， uf=，F(xiàn) F j + + + + f o - + R2 1 u - u C + 0 |F| 0 F 90 （2）當信號的頻

6、率很高時。）當信號的頻率很高時。 R1 1 1 C R2 2 1 C 其高頻等效電路為：其高頻等效電路為： 其頻率特性為：其頻率特性為： 當當=時，時， uf=0，F(xiàn)=0 =-90F j 當當時，時， uf=，F(xiàn) F j + + + o u - f- u + 2 C + 1 R 0 |F| 0 F -90 0=？ Fmax=？ 由以上分析知：一定有一個頻率由以上分析知：一定有一個頻率0存在，存在， 當當=0時，時，F(xiàn)最大，且最大，且 =0 F j 0 |F| 0 F 90 0 |F| 0 F -90 2. 定量分析定量分析 )j/1( 111 CRZ + += = 22 2 222 j1 )j

7、/1/( CR R CRZ + + = = = = R1C1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗： R2C2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗： 21 2 o f ZZ Z U U F + + = = = 頻率特性：頻率特性： + + + R u + - o - f u + 1 2 R C1 2 C ) 1 j()1( 1 j1j 1 j1 12 21 2 1 1 2 22 2 1 1 22 2 CR CR R R C C CR R C R CR R F - -+ + + + = = + + + + + + + = = 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，則有：，則有： )j(3 1 0 0 - -+ + = = F

8、式中：式中： RC 1 0 = = 可見：當可見：當 時，時， F最大，且最大，且 =0 RC 1 0 = F j Fmax=1/3 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡完整的頻率特性曲線：串并聯(lián)網(wǎng)絡完整的頻率特性曲線： RC 1 0 = = 當當 時，時， F= Fmax=1/3 0 F =j RC 1 0 = RC f p p2 1 0 = = F o +90 o |F| 1/3 二二.RC橋式振蕩器的工作原理：橋式振蕩器的工作原理： 0= A j 在在 f0 處處 ,0= F j 滿足相位條件：滿足相位條件： 因為：因為： AF=1 3 1 =F 1 1 f += R R A 1f 2R R = 只需：只需：

9、A=3 輸出正弦波頻率輸出正弦波頻率： RC f p2 1 0 = 0=+ FA jj 振幅條件：振幅條件： u Rf 1 R R RC C uf A + + o 引入負反饋：引入負反饋： 選：選： 例題例題: :R=1k=1k ，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k 。Rf f為多大時才為多大時才 能起振？振蕩頻率能起振？振蕩頻率f0 0= =？ AF=1， 3 1 =F 1 1 f += R R A A=3 Rf=2R1=2 10=20k k RC f p2 1 0 = =1592 Hz 起振條件：起振條件： u Rf 1 R R RC C uf A + + o 能自動穩(wěn)幅

10、的振蕩電路能自動穩(wěn)幅的振蕩電路 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻 (負溫度系數(shù)）負溫度系數(shù)） 起振時起振時Rt較大較大 使使 A3,易起振。易起振。 當當uo幅度自激增長幅度自激增長 時，時， Rt減小，減小，A減小。減小。 當當uo幅度達某一值幅度達某一值 時，時， A3。 當當uo進一步增大時，進一步增大時， RT再減小再減小 ,使使A UREF時時 , uo = +Uom 當當ui UREF時時 , uo = -Uom 運放處于運放處于 開環(huán)狀態(tài)開環(huán)狀態(tài) u u U + + + i - u u A O REF uo ui 0 +Uom -Uom UREF 當當ui UREF時時 , uo =

11、 -Uom 若若ui從反相端輸入從反相端輸入 u+ u- + - uo ui 0 +UZ -UZ （1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓 忽略了忽略了UD 3. 限幅電路限幅電路使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值 u u Z+O + - A u Z + D u R i 當當ui 0時時 , uo = +UZ 當當ui 0時時 , uo = -UZ 當當ui 0時時 , uo = +UZ 二二. 遲滯比較器遲滯比較器 1.工作原理工作原理兩個門限電壓。兩個門限電壓。 特點特點:電路中使用正反饋電路中使用正反饋運放工作在非線性區(qū)。運放工作在非線性區(qū)。 （1）當）當uo

12、=+UZ時，時， （2）當）當uo =-UZ時，時， REFZ U RR R U RR R Uu 2f f 2f 2 T + + + + + + = = = + + + REFZ U RR R U RR R Uu f2 f f2 2 T + + + + + + - -= = = - -+ + UT+稱稱上門限電壓上門限電壓 UT-稱稱下門限電壓下門限電壓 UT+- UT-稱為回差稱為回差電壓電壓 u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 遲滯比較器的電壓傳輸特性：遲滯比較器的電壓傳輸特性： uo ui 0 +UZ -UZ UT+ UT- 設設ui

13、 , 當當ui = UT+時時, uo從從+UZ -UZ u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 例題：例題：Rf=10k ，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。 當輸入當輸入ui為如圖所示的波形時，畫為如圖所示的波形時，畫 出輸出出輸出uo的波形。的波形。 上下限：上下限： V8 2f f 2f 2 T = = + + + + + + = = + +RZ U RR R U RR R U V3 2f f 2f 2 T = = + + + + + + - -= = - -RZ U RR R U RR R U uo ui 0 8V3V

14、傳輸特性傳輸特性 +6V -6V u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 3V 8V ui uo +6V -6V uo ui 0 8V3V 傳輸特性傳輸特性 +6V -6V u u u A + R - Z u+ D O + f u R Z i REF R1 R2 1.電路結構電路結構 由滯回比較電路和由滯回比較電路和RC定時電路構成定時電路構成 Z U RR R U f1 1 T + + = = + + Z U RR R U f1 1 T + + - -= = - - 上下限上下限: 9.4.2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路 u + A + - u

15、+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 2.工作原理：工作原理： (1) 設設 uo = + UZ , 此時，此時，uO給給C 充電充電, uc ， 則：則：u+=UT+ 0 t uo +UZ -UZ uc UT+ 0 t 一旦一旦 uc UT+ , 就有就有 u- u+ , uo 立即由立即由UZ變成變成UZ 。 在在 uc UT+ 時，時， u- u+ , 設設uC初始值初始值uC(0+)= 0 方波發(fā)生器方波發(fā)生器 uo保持保持+UZ不變不變 +UZ u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 此時，此時，C向向u uO O放電放

16、電, ,再反向充電再反向充電 (2) 當當uo = -UZ 時，時， u+=UT- uc達到達到UT-時，時，uo上跳。上跳。 UT+ uc t UT- 當當uo 重新回到重新回到UZ 后，電路又進入另一個周期性的變化。后，電路又進入另一個周期性的變化。 -UZ u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 0 UT+ uc t UT- +UZ uo 0 t - UZ T 完整的波形：完整的波形： 計算振蕩周期計算振蕩周期T。 u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 周期與頻率的計算：周期與頻率的計算： 0 UT+

17、uc t UT- +UZ -UZ T1T2 T T= T1 + T2 =2 T2 uc(t)=UC ( )+ UC (0+) -UC ( ) e , =RC - t T2階段階段uc(t)的過渡過程方程為的過渡過程方程為: ) 2 1ln(2 f 1 R R RCT+ += =f = 1/T 可推出可推出: u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D O R C u C 3 3、占空比可調(diào)的方波發(fā)生器占空比可調(diào)的方波發(fā)生器 UZ uo 0 t - UZ 改變電位器改變電位器 RW 的滑動端，就改變了的滑動端，就改變了充充放電的放電的 時間，從而使方波的占空比可調(diào)。時間，從而使

18、方波的占空比可調(diào)。 u + A + - u+ u 1 R f R Z R Z D 1 D 2 D O R W R C u C 9.4.3 鋸齒波產(chǎn)生電路鋸齒波產(chǎn)生電路 電路結構：遲滯比較器電路結構：遲滯比較器+反相積分器反相積分器 一一. 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器 u+ R + A1 + R Z - 2 Z D u 4 R o2 + + R1 R3 5 R C u uo1 A2 工作原理工作原理： 若若uo1=+UZ， uo2， u+ 。 )(0dt 1 2o 0 1o 4 2o + + + +- -= = uu CR u t 2o 21 2 1o 21 1 u RR R u RR R u +

19、 + + + + + = = + + 當當u+ 0時，時， uo1翻轉為翻轉為-UZ。 若若uo1=-UZ， uo2， u+ 。 當當u+ 0時，時， uo1翻轉為翻轉為+UZ。 波形圖波形圖 振蕩周期：振蕩周期： 0 UT+ uo2 t UT- +UZ uo1 0 t - UZ T u R - + Z + u R R + 1 2 A1 u 4 R + C A2 R Z D 5 + uo1 o2 ZT U R R U 2 1 = = + + ZT U R R U 2 1 - -= = - - 2 41 4 R CRR T = = ZZTT U CR T U R R UU 4 1 2 1 2=

20、= =- - - -+ + 2 41 1 2 R CRR T = = 1 2TT = = 二二.鋸齒波發(fā)生器鋸齒波發(fā)生器 改變積分器的正反向改變積分器的正反向 充電時間常數(shù)充電時間常數(shù) u Z o1 R o2 3 Z u + R R 5 + D u 4 u R A1 - R + 1 A2 + 2 C + R D 6 R uo1=+UZ，D截止，截止，充電充電 時間常數(shù)：時間常數(shù)：R4C。 uo1=-UZ，D導通，導通，充電時充電時 間常數(shù)：間常數(shù)：(R6R4)C。 +UZ uo1 0 t - UZ R6R4 本章小結本章小結 1正弦波振蕩的條件：正弦波振蕩的條件： AF=1 （振幅條件）（振幅條件） （相位條件（相位條件pjjn2 FA =+ 正弦波振蕩電路由放大器、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構成。正弦波振蕩